量子コンピュータとは何でしょう？ 通常のコンピュータは、厳密な論理のルールに従って動作しています。 しかし、電子や光子のような小さな量子力学的な物体は、そのルールを破ることができます
量子コンピューティングとは、この量子ルールの破れを利用して、通常のコンピュータとはまったく異なる新しい方法で情報を処理しようという考え方です。 このため、場合によっては、通常のコンピュータよりも指数関数的に高速に処理することができます。
たとえば、ある量子コンピューターは、インターネットバンキングの安全性を保つための暗号を簡単に解読することができます。 量子コンピューターは、単に「より速い」コンピューターではありません。 非常に大きな数の因数分解など、量子コンピューターが得意とする特定のタスクがいくつかあります。 (
では、量子コンピューターは何に使えるのでしょうか
おそらく、政府機関、研究開発企業、大学において、現在のコンピューターが苦手とする問題の解決に最も役立つでしょう。 これは、化学と生物学に影響を与えるでしょう。
かつて量子コンピューターは学術的な好奇心の対象でしたが、1994 年にアメリカの数学者である Peter Shor が量子コンピューターを使って暗号を解読する方法を発見し、関心が爆発的に高まりました。
現在、多くのオンライン・セキュリティ・システムは、非常に大きな数からその素因数分解を行うことは不可能であるという原則のもとに運営されています。
量子コンピューターは、データのパターンを認識する能力も優れており、画像内の異なるオブジェクトを識別できるなど、機械学習の問題にも役立ちます。
しかし、最終的に、量子コンピュータの用途は予測不可能です。
しかし、最終的に量子コンピューティングの用途は予測不可能です。1943年にIBMの社長であるトーマス・ワトソンが、「5台程度のコンピュータのための世界市場があると思う」と言ったことを考えてみてください。
前例が何らかの指針になるとすれば、量子コンピューターがどのような用途に使われるかは、まだ想像もつかないでしょう。
量子コンピューターはどのように機能するか
通常のコンピューターは「ビット」に基づいています。
量子コンピューティングは、0 か 1 を表すことができる量子ビット、または「量子ビット」に依存しています。おかしなことに、量子ビットは、1 と 0 の両方を同時に表す「重ね合わせ」と呼ばれる混合状態を実現することもできます。
通常のコンピューターと量子コンピューターの違いは、問題に対するアプローチの仕方にあります。
コンピュータの 2 つのビットは、4 つの状態 (00、01、10、11) になることができますが、常に 1 つの状態でなければなりません。
量子コンピューターでは、2 つの量子ビットがまったく同じ 4 つの状態 (00、01、10、または 11) を表すことができます。
量子コンピュータでは、2 つの量子ビットがまったく同じ 4 つの状態 (00、01、10、11) を表すことができます。
通常のコンピューターにさらにビットを追加しても、一度に 1 つの状態しか扱えません。
通常のコンピュータにさらにビットを追加しても、一度に1つの状態しか処理できませんが、量子ビットを追加すると、量子コンピュータの性能は指数関数的に増大します。
これは、チェスというゲームを発明したセッサと呼ばれる古代インド人の古い寓話のようなものです。 王はそのゲームに喜び、セッサに報酬を挙げるように頼みました。 セッサは謙虚に、最初のマスに一粒の小麦、二番目のマスに二粒、三番目のマスに四粒、といった具合に、一枚のチェス盤を要求したのです。 王はすぐに承諾したが、地球上に存在する以上の小麦を約束したことには気づかなかった。
各マスがSessaの小麦を2倍にしたように、各クビットが追加されるたびに処理能力が2倍になります。
1マスごとにセッサの小麦が2倍になったように、量子ビットを追加するごとに処理能力が2倍になります。3量子ビットで23、つまり8つの状態を同時に実現し、4量子ビットで24、つまり16の状態を実現します。 64量子ビットは？ これは18,446,744,073,709,600,000通りの可能性があるのです。
通常の 64 ビットもこの膨大な数 (264) の状態を表すことができますが、一度に 1 つしか表すことができません。
このことは、量子コンピューターが、古典的なコンピューターでは「事実上不可能」な問題に取り組めることを意味します。
しかし、この指数的な高速化を実現するには、すべての量子ビットの運命が、量子もつれというプロセスでリンクされる必要があります。
何が量子ビットを作るのか
量子ビットを作るには、2 つの状態の間の量子重ね合わせ状態になることができる物体が必要です。
原子核は、一種の量子ビットです。その磁気モーメント（「スピン」）の方向は、磁場に対して上または下といった異なる方向に向けることができます。
課題は、その単一の原子の配置と対処です。
ニューサウスウェールズ大学の Michelle Simmon が率いるオーストラリアのチームは、単一のリン原子をシリコン結晶内の既知の位置に配置し、原子量子ビットを作りました。
他のアイデアは、原子の電子を取り除いてイオン化することです。
もうひとつのアイデアは、原子から電子を奪い、イオンにすることです。そして、電磁場を使ってイオンを自由空間に吊るし、レーザーを発射してその状態を変化させます。
超伝導金属のループ内の電流も重ね合わせ（時計回りと反時計回りの間）、つまり、前と後ろを同時に走る小さなトレッドミルのような状態になることができます。
どのようにして重ね合わせるのか
コインの縁で正確にバランスを取ろうとしたことがありますか? これは、量子ビットのプログラミングと同じようなものです。
原子核の場合、これは電界または磁界で叩いて、どちらかに回転する確率を等しくすることかもしれません。
では、どのようにして量子ビットから情報を読み取るのですか
量子計算中に起こることには、神秘的な雰囲気があります。
しかし、これは魔法ではなく、単なる量子力学です。
新しい 64量子ビットの量子コンピュータを立ち上げ、最初の計算を行ったとします。 64 個の量子ビットをすべて重ね合わせ、ちょうど 64 枚のコインのように、端でバランスをとるように配置します。 64個の量子ビットは264個の可能性を持っています。 あなたは、これらの状態のうち1つが正しい答えを表していることを知っています。
問題は、量子ビットを読み出すと、重ね合わせ状態が崩れてしまうことです。バランスの取れたコインをすべてテーブルに置いて、拳で叩くように。
量子コンピュータはまだ作られていないのですか
どうやらそうらしいのですが、従来のコンピュータを超えるようなことはまだできません。 2016年のネイチャー誌では、グーグルの研究者が開発した9量子ビットのコンピュータを祝っていましたが。 その1年半後の2017年12月には、IBMが50量子ビットの量子コンピュータを報告しました。 4カ月も経たないうちに、グーグルは72量子ビットの「ブリストルコーン」量子コンピュータで再び躍進した。 一方、IBMは初の商用量子コンピュータを製造し、20量子ビットのQ System Oneマシンにクラウドアクセスを有料で提供しています。
D-Waveは、2000個の超伝導ループを量子ビットとして使用することで、まだまだ先を進んでいますが、一部の物理学者は、D-Waveが真の量子コンピュータを構築したことに懐疑的です。
すべての大手企業は、「量子的優位性」という次の大きなマイルストーンを視野に入れています。
すべての大手企業は、次の大きなマイルストーンとして「量子最高峰」を目指しています。これは、量子コンピューターが古典的な機械の能力を超える問題を解決することを意味します。
なぜ量子コンピュータの構築はそれほど難しいのでしょうか
量子ビットの組み立てから、量子ビット上の情報の読み取りと書き込み、不確実性を排除した情報のやり取りまで、あらゆるレベルで課題が存在します。
量子ビットは究極の歌姫です。ハリウッドのスター女優が巨大な楽屋とバラの花びらでいっぱいのお風呂を要求するのに対し、量子ビットは完全な隔離と絶対零度の100分の1に設定されたサーモスタットを要求します。
最大の難関は、計算を実行するのに十分な時間、いわゆるコヒーレンス時間、重ね合わせと絡み合いの微妙な状態をいかに維持するかです。
この困難な課題にもかかわらず、最初の実用的な量子コンピュータを作るための競争は、現代における偉大な科学の課題の 1 つとなっており、世界に散らばる多数の研究機関の数千人の物理学者やエンジニアが関与しています。